高性能聚氨酯彈性混凝土用膠結(jié)料性能研究*

劉 攀

(重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司，重慶 401336)

針對(duì)小位移量(<80 mm)橋梁，無縫伸縮縫受到越來越多的重視[1-2]。無縫伸縮縫的關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵材料是彈性膠結(jié)料，到目前為止，已有多種彈性膠結(jié)料用于填充無縫伸縮縫，主要包括瀝青填充式彈性體和樹脂類填充式彈性體[2-3]。其中，瀝青填充式彈性體的主體材料由瀝青和高分子聚合物組成，而樹脂類填充式彈性體的主體材料由熱固性樹脂和助劑組成。

聚氨酯材料具有優(yōu)異的性能，近年來被廣泛用于小位移無縫伸縮縫[4-6]；羅志鵬等[7]制備了聚氨酯彈性混凝土嵌縫膠，該材料伸長(zhǎng)率大、彈性好，可在潮濕條件下施工；南陽(yáng)等[8]制備了雙組分聚氨酯嵌縫膠，低溫柔性好，能滿足嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路客運(yùn)專線橋面混凝土伸縮縫密封材料要求；張濤[9]制備了一種新型聚氨酯，具有良好的綜合性能，能夠滿足伸縮縫對(duì)材料性能的要求；郭映瀚等[5]通過添加不同的助劑對(duì)聚氨酯彈性體的耐老化進(jìn)行了研究；王葦[10]基于對(duì)工程實(shí)際的調(diào)查研究，結(jié)合影響聚氨酯材料耐久性的因素，優(yōu)化伸縮縫施工工藝。在此，本文選擇高性能聚氨酯膠結(jié)料、進(jìn)口聚氨酯膠結(jié)料和國(guó)產(chǎn)聚氨酯膠結(jié)料，對(duì)其凝膠時(shí)間、養(yǎng)護(hù)時(shí)間及使用性能進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 凝膠時(shí)間

圖1 聚氨酯膠結(jié)料凝膠時(shí)間測(cè)試結(jié)果Fig.1 Test results of gel time of polyurethane binder

聚氨酯膠結(jié)料兩組分混合后即發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，當(dāng)超過凝膠時(shí)間后，聚氨酯膠結(jié)料會(huì)失去流動(dòng)性，導(dǎo)致彈性混凝土無法自流平施工?？疾鞙囟葘?duì)聚氨酯膠結(jié)料凝膠時(shí)間的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

從圖1可以看出，隨著溫度升高，化學(xué)反應(yīng)速率增加，聚氨酯膠結(jié)料的凝膠時(shí)間逐漸變短。同一溫度下，高性能聚氨酯膠結(jié)料比進(jìn)口聚氨酯膠結(jié)料和國(guó)產(chǎn)聚氨酯膠結(jié)料的凝膠時(shí)間更長(zhǎng)，具有更長(zhǎng)的施工可操作時(shí)間。當(dāng)溫度較低時(shí)(≤10 ℃)，高性能聚氨酯膠結(jié)料的凝膠時(shí)間超過75 min；在常溫范圍內(nèi)(15～30 ℃)，高性能聚氨酯膠結(jié)料的凝膠時(shí)間可達(dá)30 min以上，完全能滿足施工的需要；當(dāng)溫度較高時(shí)(≥40 ℃)，高性能聚氨酯膠結(jié)料的凝膠時(shí)間也能超過20 min。聚氨酯彈性混凝土施工時(shí)間需控制在30～40 min，因此施工溫度宜在20～ 35 ℃。溫度過低可采用適量的催化劑加快交聯(lián)反應(yīng)，溫度過高則可添加一定的增塑劑延緩交聯(lián)反應(yīng)。

2 養(yǎng)護(hù)時(shí)間

聚氨酯膠結(jié)料交聯(lián)反應(yīng)開始后，形成最終強(qiáng)度需要一定的時(shí)間。將膠結(jié)料制成啞鈴型樣條，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為23 ℃，考察常溫(25 ℃)養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)聚氨酯膠結(jié)料拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 聚氨酯膠結(jié)料拉伸試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Tensile test results of polyurethane binder

從圖2可以看出，一定范圍內(nèi)，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，聚氨酯膠結(jié)料的拉伸強(qiáng)度及斷裂延伸率均逐漸增大。三種聚氨酯膠結(jié)料的強(qiáng)度形成規(guī)律基本一致，剛開始快速上升(0～3 d)，而后上升趨勢(shì)變緩(3～5 d)，最后趨于平穩(wěn)(5～7 d)。常溫養(yǎng)護(hù)6 h后，高性能聚氨酯膠結(jié)料的拉伸強(qiáng)度即可達(dá)到1.7 MPa，1 d后拉伸強(qiáng)度達(dá)到4.0 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率接近370%，表明高性能聚氨酯膠結(jié)料強(qiáng)度形成較快，有利于及時(shí)開放交通。

還可以看出，常溫養(yǎng)護(hù)7 d后，三種聚氨酯膠結(jié)料均已形成最終強(qiáng)度。其中，高性能聚氨酯膠結(jié)料拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別為5.7 MPa和552.5%，進(jìn)口聚氨酯膠結(jié)料拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別為6.8 MPa和608.8%，國(guó)產(chǎn)聚氨酯膠結(jié)料拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別為6.1 MPa和515.7%。由此可見，三種聚氨酯膠結(jié)料的拉伸強(qiáng)度均大于5.5 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率均大于500%，表現(xiàn)出十分優(yōu)異的拉伸性能。

3 變形能力

3.1 壓縮永久變形

壓縮永久變形可用于評(píng)價(jià)彈性體材料在受壓后恢復(fù)原有形狀的能力。測(cè)試聚氨酯膠結(jié)料的壓縮變形率，試驗(yàn)溫度為23 ℃，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 聚氨酯膠結(jié)料壓縮試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Compression test results of polyurethane cement

從表1可以看出，三種聚氨酯膠結(jié)料的壓縮變形率均低于40%，在受壓后恢復(fù)原有形狀的能力強(qiáng)。

3.2 回彈恢復(fù)

回彈恢復(fù)可用于評(píng)價(jià)彈性體材料在受拉后恢復(fù)原有形狀的能力。測(cè)試聚氨酯膠結(jié)料的回彈恢復(fù)率，試驗(yàn)溫度為23 ℃，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 聚氨酯膠結(jié)料回彈恢復(fù)試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Rebound recovery test results of polyurethane binder

從表2可以看出，三種聚氨酯膠結(jié)料的回彈率均超過90%，在受拉后恢復(fù)原有形狀的能力強(qiáng)。

綜上所述，高性能聚氨酯膠結(jié)料具有優(yōu)異的彈性恢復(fù)能力，受拉受壓后能快速恢復(fù)原狀，永久變形小，特別滿足小位移橋梁伸縮縫的使用要求。

4 抗老化性能

表3 聚氨酯膠結(jié)料老化試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Aging test results of polyurethane cement

將完全固化的聚氨酯膠結(jié)料分別放置于70 ℃烘箱及熒光紫外老化儀中老化3 d，然后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為 23 ℃，通過拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的變化來評(píng)價(jià)聚氨酯膠結(jié)料的抗老化性能，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

從表3可以看出，聚氨酯膠結(jié)料熱氧條件和紫外條件下會(huì)發(fā)生老化，老化后其拉伸強(qiáng)度基本不變，但斷裂伸長(zhǎng)率有一定的下降。老化可能導(dǎo)致聚氨酯分子結(jié)構(gòu)的分解，也可能影響其固化交聯(lián)程度。高性能聚氨酯膠結(jié)料老化后，其斷裂伸長(zhǎng)率仍然大于500%，表現(xiàn)出十分優(yōu)異的抗老化性能，進(jìn)而可以保證聚氨酯彈性混凝土在氣候因素影響下不易老化。

5 耐化學(xué)腐蝕性能

將完全固化的聚氨酯膠結(jié)料干燥除去水分，再將其分別放置在2%NaCl溶液、2%NaOH溶液及2%H2SO4溶液中常溫浸泡7 d，干燥后計(jì)算其質(zhì)量變化，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 聚氨酯膠結(jié)料耐化學(xué)腐蝕試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Chemical corrosion resistance test results of polyurethane binder

從表4可以看出，三種聚氨酯膠結(jié)料經(jīng)過酸堿鹽的腐蝕后，質(zhì)量變化均很小(<1.0%)，且表面無明顯變化。結(jié)果表明，高性能聚氨酯膠結(jié)料具有和同類材料同等優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕性能，能有效抵御酸堿鹽的腐蝕。

6 結(jié) 論

(1)常溫下高性能聚氨酯膠結(jié)料的凝膠時(shí)間可達(dá)30 min以上，隨著溫度升高，其凝膠時(shí)間逐漸變短，施工溫度宜控制在20～35 ℃，當(dāng)溫度不在此范圍時(shí)，可采用適量的催化劑或增塑劑調(diào)節(jié)凝膠時(shí)間。同一溫度下，高性能聚氨酯膠結(jié)料比進(jìn)口聚氨酯膠結(jié)料和國(guó)產(chǎn)聚氨酯膠結(jié)料的凝膠時(shí)間更長(zhǎng)，具有更長(zhǎng)的施工可操作時(shí)間。

(2)隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，聚氨酯膠結(jié)料的拉伸強(qiáng)度及斷裂延伸率先快速上升，而后上升趨勢(shì)變緩直至平緩。高性能聚氨酯膠結(jié)料強(qiáng)度形成較快，常溫養(yǎng)護(hù)6 h后，其拉伸強(qiáng)度即可達(dá)到1.7 MPa，有利于及時(shí)開放交通。

(3)養(yǎng)護(hù)完全后，高性能聚氨酯膠結(jié)料拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別可達(dá)5.7 MPa和552.5%，表現(xiàn)出十分優(yōu)異的拉伸性能。高性能聚氨酯膠結(jié)料具有優(yōu)異的彈性恢復(fù)能力、抗老化性能、耐化學(xué)腐蝕性能等，基本達(dá)到同類材料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，完全能滿足小位移橋梁伸縮縫的使用要求，具有良好的應(yīng)用前景。